评《基于Moldflow的车灯装饰框拐角气痕成因分析与对策》

　

 

      这是一篇转发的论中之论的文章，因涉及到车灯装饰框（常用材料PC、PA、PBT）产品，车灯装饰框因产品结构复杂，多需要真空镀铝后加工，是车灯注塑件中工艺难度比较在一个产品，做为一个车灯注塑行业的工程师，我深知这类产品工艺控制方面的难度，今天转发出来，希望能为车灯行业工程师提供一个解决问题的思路。当然这个解决问题的思路并不限于车灯装饰框。同时大家对这篇论中之论的结论也应根据自己的专长做出自己的判断。但无论如何徐老师的评论及解决问题的提供的建议都值得借鉴。

评《基于Moldflow的车灯装饰框拐角气痕成因分析与对策》

徐昌煜

  《轻工机械》2021年第39卷第4期(8月)中有一篇文章《基于Moldflow的车灯装饰框拐角气痕成因分析与对策》，是台州职业技术学院模具研究所的姚震、李金国和浙江大豪车业有限公司的谢海波共同发表的，论证了消除车灯装饰框拐角气痕的创新拐角设计，颇有参考价值。 兹摘录该文部份章节，并附上我的批注或点评(一般为粗斜体，C. Hsu是我的代号)与大家分享：

摘要：车灯装饰框对外观质量有着极高的要求，针对注塑成型过程中经常会出现装饰框拐角周围存在气痕，导致产品外观不合格的情况。课题组借助Moldflow软件对某车灯装饰框成型方案进行模拟，发现拐角区域存在困气现象，是造成表面气痕缺陷的主要成因。研究表明：装饰框拐角处壁厚较厚，喷泉流动自由表面接近半圆形(C.Hsu：非半圆形，而是拋物线形)，自由表面曲率半径大于拐角半径，易形成困气。课题组通过改变拐角附近壁厚，减少喷泉流动自由表面半径，当车灯件拐角半径R>T/2时，数值模拟结果显示该区域不存在困气现象(C. Hsu：此一困气非一般模塑CAE所能模拟!)。经试模，改进后车灯装饰框表面质量合格。

  车灯被喻为汽车的眼睛，其配件对汽车的外观质量和照明性能都有重要影响。气痕是车灯制品常见的外观注塑成型缺陷之一，表现形式为表面易出现勾形纹(fish hook 或air hook)和泪珠形纹，并且缺陷消除难度大。

---课题组借助Moldflow软件分析车灯配件成型表面产生气痕的成因，探究解决此类问题的有效方法，以期为车灯配件的注塑成型提供参考。 

1产品分析

  研究对象为某车灯装饰框，要求表面光滑无痕，耐高温。塑件外部尺寸为540mm x 270mm x 110mm，最大壁厚为3mm，最小壁厚2mm，中间开有3个孔，用来放置照明灯，其结构如图1所示。

图1 车灯装饰框 

 根据制品使用工况和性能要求，选用聚碳酸酯(PC)材料，牌号为Makrolon2405。 

2熔体流动前沿自由表面形态

  车灯装饰框拐角气流痕的出现主要是因为模内的喷流泉现象。熔体中央处速度最快，两侧速度较慢。熔体前进至最前端时，由于表面张力的作用，熔体减速并向模壁运动形成喷泉形状的流动波。自由表面的形状变得接近于半圆形。熔体充填过程如图3所示。

图3  熔体充填过程 

3车灯配件方案对比

3.1初始方案

  将装饰框的几何模型以STL格式导入到Moldflow软件中进行网格划分，采用Fusion双层面型网格。网格边长2.5mm，网格厚度均匀，网格总数为151124，节点数为75544，网格匹配率达到90%，符合成型分析要求。分析类型设定为“冷却＋填充＋保压＋翘曲分析”。车灯配件网格模型如图4所示。根据其结构并结合企业实际生产设计经验，模具型腔布局采用“一模两穴”的方式。浇注和冷却系统结构如图5所示，采用扇形浇口，热流道进料，随行(形)水路冷却。

图4  双层面网格模型

 

图5  浇注和冷却系统结构 

注塑初始工艺参数如表2所示。

  根据模流分析结果可以得到如图6(a)所示塑料流动等值线图，在椭圆圈出区域等值线呈V字型，熔体流经该区域时左右2边先流过台阶。为准确模拟该区域熔体流动现象，对该区域进行等效处理，对网格进行细化，并采用3D网格，得到云图放大区域。通过剖面图6(b)可以直观看到此处存在空隙，其成因是由于熔体流经该区域时，由于拐角半径过小，熔体前沿自由表面与模腔壁之间形成了微小封闭空间，加上左右2边熔体包裹，模腔内空气汇集在此处无法排出。在压力进一步增强和流动趋势带动下，气体沿流动方向迁移，在表面形成气痕。这与实物样件表面气痕所处位置基本一致。实物表面气痕如图7所示。

(a)熔体流动等值线

(b)困气区域剖面图

图6  气痕区域熔体流动状态

图7  实物表面气痕 

3.2改进措施

  根据产品设计经验，针对模内因困气产生的气痕问题，可以使用以下几种方法：

1)产品设计时把拐角做大，使模内气体在熔体前沿自由表面推动下向前移动，避免气体困在该区域；

2)改变熔体流动方向；

3)特种工艺骤冷骤热；

4)型腔内抽真空。

  针对该装饰框产品，考虑成本及效率。最适合的应该是加大拐角，但由于翻料痕处于A面，即外观面，拐角不允许更改，并且加大拐角需要对模具进行烧焊，定模是淬火处理，烧焊影响其性能，故以上方法均不适用。根据熔体前沿喷泉流动原理，其自由表面接近半圆形(C.Hsu：非半圆形，而是拋物线形)，通过改变拐角前端(熔体来料方向)壁厚，即可改变自由表面曲率半径(C. Hsu：曲率半径主要由流路的断面积和流率的大小决定，而非壁厚决定)。在初始方案中，熔体自由表面曲率半径相对于拐角过大，如图8所示，致深色区域形成微小封闭空间。故可通过减小熔体表面曲率半径，即减小拐角前端熔体来料方向壁厚(如图9所示，深色区域为相对原始方案减少部分)，使得熔体前沿流经该区域时能贴合拐角内表面，模内气体则顺着料流向前推进。为避免产生封闭空间，则有

R>T/2

式中：R为拐角曲率半径；T为拐角前端熔体来料方向壁厚。

图8  初始方案熔体自由表面相对拐角曲率半径 

图9  改进后结构横截面示意图 

C. Hsu：动模拐角要先堆焊再加工成图9所示的Λ形状就很费事，塑流流到1.9mm厚度的薄壁处可能会因迟滞(hesitation)而生迟滞痕(hesitationmark)或/和气穴(air trap)会是另一隐忧，何况前沿到了拐角可能因流速快其波形成高挑的拋物线状，仍然与模壁形成间隙。此一新设计并不妥当!) 

  对车灯装饰框减小拐角前端熔体来料方向壁厚，不改变成型工艺参数，重新通过Moldflow数值模拟，得到如图10所示塑料熔体流动状态。由图10可知，在拐角区域不再有空隙产生，塑料熔体可平顺地流过该区域，困气现象已得到了消除。

图10  改进后塑料熔体流动状态 

4实际验证

  根据改进方案壁厚要求，对模具动模侧进行了烧焊处理，如图11所示。试模的工艺参数为Moldflow软件的数值模拟结果参数，经试模生产，获得的塑件如图12所示，符合要求。

图11模具烧焊

图12  装饰框合格产品实物 

5结语

  由于车灯装饰框拐角半径过小，容易导致塑料熔体流经该区域时产生困气现象，导致表面出现气痕，影响产品外观。为了降低修模成本，减少对模具的修补损坏，课题组提出通过减小局部壁厚，即减小塑料熔体前沿自由表面曲率半径，使自由表面曲率半径小于塑件转角半径，即R>T/2，有效避免了困气现象产生。经修模后注射成型测试，塑件脱模后放置一段时间(C. Hsu：脱模即知，何须等待?)，未发现气痕成型缺陷，塑件达到预期的质量要求。

C. Hsu：

1.从塑流在其流动方向和厚度方向的断面看前沿的形状多接近拋物线状，而非半圆形；偶有半圆形前沿出现，那是熔体在型腔内流得较慢的情形(如下左图所示)，当熔体流得快的时候，前沿突进，即使在拐角处颈缩的壁厚满足作者提出的R>T/2的规则，困气仍然难免(如下右图所示)；前沿的形状并不是以壁厚为直径画出的半圆，是因流路的断面形状和大小以及流率决定的，流速越快，前沿突进得越厉害，R>T/2并不能确保没有困气；

2.流速慢时，前沿圆缓，困气可免，这是有经验的业者在熔体前沿流到困气角落前后调慢射速防止气痕出现的作法。  如果还有些许残留困气，则以保压将困气挤压扩散到较大面积的(制品表面和模壁之间)间隙中而难被外观者察觉。  这种作法若能收效，就不必耗时费钱修模却不一定获得更好的结果；

3.作者提出的新设计要将原动模转角(如下左图所示)先堆焊再加工成下右图所示打剖面线的部分，这很费工，而其尖角又有工安的顾虑，而该模仁尖角成型的塑件应力集中因数大，容易开裂。

另外，如下图所示，熔体流到1.9mm厚的薄壁处可能会因迟滞而生迟滞痕或/和气穴，这是另一隐忧；

4.本案例车灯装饰框拐角半径小，拐角困气易被塑流带出形成气痕之困扰，可将熔体前沿通过拐角时的射速调慢看看问题是否可以解决，若可，善莫大焉！若否，而须修模，最好与产品设计工程师商量：将拐角半径加大(R≧T/4即可，R≧T/2最好)而保持壁厚均一。设计对了，制程窗口宽广，一马平川，快意驰骋；

5.以moldflow等模塑CAE模拟预测熔体包围的气穴(如3项提到者)非常准确。但是，模拟预测本文中提到的模具角落的可能困气(trapped air)和因此带来的气痕，则非该CAE之所能。叶公好龙，难免牵强附会--- 不知者不过，知者不随风起舞可也。